Почему алмазные микро-сверла такие твердые и долговечные?

Почемуалмазные микро-сверлатакой твердый и прочный?

 

Есть китайская поговорка: «Не беритесь за сверление фарфора, если у вас нет алмазного сверла». Эта поговорка справедлива и в области точного производства. При работе с твердыми и хрупкими материалами, такими как кремниевые пластины, керамика и стекло, обычные сверла часто изнашиваются или скалываются после сверления всего нескольких отверстий; напротив, алмазное микро-сверло может надежно выполнять тысячи операций механической обработки.

 

Этот микро-инструмент-часто диаметром всего лишь доли миллиметра-, названный совершенным "алмазным сверлом", способен просверливать точные отверстия в самых твердых материалах.Что делает его таким исключительно твердым и долговечным?Ответ кроется в атомной структуре самого алмаза и в изобретательности современных технологий нанесения покрытий.

(Микросверло с алмазным покрытием)

 

I. Алмаз: чемпион по твердости от природы
Чтобы понять долговечность алмазных микро-сверл, нужно сначала понять сам алмаз.
Алмаз — самое твердое вещество в природе: его твердость по шкале Мооса равна 10-самым высоким из возможных значений, что намного превосходит обычные твердые материалы, такие как кварц (уровень 7) и корунд (уровень 9). Эта чрезвычайная твердость не случайна; это определяется уникальной микроскопической кристаллической структурой материала.

 

Внутри кристалла алмаза каждый атом углерода образует sp³-гибридные ковалентные связи с четырьмя соседними атомами углерода, создавая тетраэдрическую структуру. Эти ковалентные связи короткие, прочные и обладают чрезвычайно высокой энергией связи; равномерно простираясь в трех измерениях, они образуют плотную, надежную и жесткую трехмерную сеть. Когда внешняя сила пытается поцарапать или вмятить алмаз, огромное количество этих прочных связей должно быть разорвано одновременно-, что практически невозможно в нормальных условиях.

Именно эта структура,-"прочно запертая на атомном уровне"-, придает алмазу присущую ему исключительную твердость и износостойкость. Микро-сверла, изготовленные из алмаза, занимают вершину пирамиды твердости благодаря своим фундаментальным свойствам материала.

 

II. Два «ромбовидных» пути для микро-сверл
Алмазные микросверла-не бывают одной формы. В зависимости от способа изготовления они делятся на две основные категории:

 

1. Твердоспеченный тип (сверла PCD Micro-)
Алмазный микропорошок спекается при высокой температуре и высоком давлении с образованием наконечника из поликристаллического алмаза (PCD), который затем припаивается к хвостовику сверла. Эти микро-сверла отличаются высоким содержанием алмазов и исключительной износостойкостью, что делает их пригодными для крупнообъемной и высокоточной-обработки твердых и хрупких материалов; однако они стоят относительно дорого.

 

2. Тип с покрытием (микросверла с алмазным-микро-покрытием)
Тонкая нано-алмазная пленка наносится на поверхность твердого сплава (обычно вольфрама-кобальта) сверла с помощью таких процессов, как химическое осаждение из паровой фазы (CVD). Этот подход сочетает в себе прочность основы с чрезвычайной твердостью поверхностного слоя, что делает его одним из наиболее широко используемых сегодня решений.

Гениальность технологии нанесения покрытия заключается в том, что все сверло не обязательно должно быть изготовлено из алмаза; нанося алмазный слой только на критически важную «режущую кромку», можно добиться производительности резки, сравнимой с производительностью твердого алмаза, при этом значительно снизив затраты.

 

III. Данные: насколько улучшается покрытие?
Эффективность нано-алмазных покрытий можно измерить с помощью ряда четких цифр:
- Нанесение нано-алмазного покрытия на поверхность сверла может продлить срок его службы более чем в десять раз.
- При определенных условиях обработки срок службы сверла с алмазным-покрытием может достигать 100 000 отверстий.
- Срок службы более чем в 60 раз превышает срок службы стандартной дрели.

 

Почему такое тонкое покрытие имеет такое огромное значение?

Причина в том, что в процессе сверления выход из строя сверла почти всегда начинается с износа режущей кромки; как только кромка становится тупой, силы резания резко возрастают, что приводит к сколам кромки или поломке сверла. Алмазное покрытие превращает наиболее-изнашиваемую часть кромки в поверхность «пиковой твердости», замедляя процесс износа в самом его источнике и тем самым значительно продлевая общий срок службы сверла.

 

 

 

IV. С какими работами справляются «алмазные сверла»?
Алмазные микросверла-прозвали "алмазными сверлами" именно потому, что они предназначены для обработки твердых, хрупких материалов, которые трудно обрабатывать стандартными режущими инструментами. Основные обрабатываемые материалы включают в себя:

Эти материалы имеют общую характеристику: высокую твердость и высокую хрупкость. При обработке стандартными-сверлами из быстрорежущей стали или твердосплавными свёрлами инструменты быстро изнашиваются, а кромки материала склонны к сколам (так называемое "выламывание кромки"). Благодаря чрезвычайной твердости и острым режущим кромкам алмазные микросверла-могут выполнять обработку с меньшими силами резания; это обеспечивает высокое-качество стенок отверстий и при этом значительно снижает количество сколов на кромках.

 

Например, в полупроводниковой промышленности обработка микро-отверстий в кремниевых пластинах требует исключительной точности и постоянства, что делает алмазные микро-сверла незаменимыми инструментами в этой области.

 

 

V. За пределами твердости: ограничения и будущее алмазных микросверл-
Несмотря на свою выдающуюся производительность, алмазные микросверла-не являются "универсальными" инструментами и имеют определенные эксплуатационные ограничения:
- Уязвимость к высоко-окислению: алмаз начинает окисляться и терять массу на воздухе при температуре выше примерно 700 градусов; поэтому они непригодны для длительной сухой резки или операций, при которых выделяется сильный нагрев.
- Непригоден для обработки металлов группы железа-: при высоких температурах атомы углерода в алмазе диффундируют в такие материалы, как железо и никель, вызывая быстрый износ инструмента (известный как «химический износ»). Следовательно, для обработки стали инструменты из кубического нитрида бора (CBN) обычно предпочтительнее алмаза.
- Адгезия покрытия имеет решающее значение: прочность связи между алмазным покрытием и подложкой из цементированного карбида напрямую определяет срок службы инструмента, а расслоение покрытия является распространенной причиной отказа. В будущем технологическая эволюция алмазных микро-сверл сосредоточена на таких областях, как нанокомпозитные покрытия, текстурирование поверхности и сверхточная-точная режущая-подготовка кромок. Цель состоит в том, чтобы еще больше повысить прочность, рассеивание тепла и адгезию покрытия при сохранении чрезвычайной твердости,-что позволит этим «алмазным сверлам» решать все более сложные задачи.

 

От тетраэдрической структуры атомов углерода до наноразмерных алмазных покрытий и потрясающего срока службы в 100 000 отверстий.-исключительная твердость и долговечность алмазных микросверл- являются результатом слияния материаловедения и точного производства. В следующий раз, когда вы увидите эти -тонкие микро-отверстия на чипе, подумайте вот о чем: за каждым отверстием тихо и упорно работает «алмазное сверло».